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Die Erfindung betrifft einen Radarsensor für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine eine dreidimensionale Anordnung von zum Senden und/oder Empfangen von Radarsignalen zu verwendenden Antennenelementen aufweisende, zur 360°-Erfassung der Umgebung des Kraftfahrzeugs ausgebildete Antennenanordnung und eine Steuereinrichtung, die zur Ansteuerung der Antennenanordnung und/oder zur Auswertung von mit der Antennenanordnung empfangenen Radarsignalen zur Ermittlung einer dreidimensionalen Richtungsinformation detektierter Objekte ausgebildet ist. Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Radarsensor.
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Radarsensoren werden in Kraftfahrzeugen einer Vielzahl von Anwendungen zugeführt. Meist dienen sie dabei der Umgebungserfassung, mithin zur Aufnahme von die Umgebung des Kraftfahrzeugs beschreibenden Umgebungsdaten, die beispielsweise in verschiedenen Fahrzeugsystemen, insbesondere Fahrerassistenzsystemen, ausgewertet werden können. Übliche Radarsensoren mit einer auf eine bestimmte Richtung bezogenen Antennenanordnung werden beispielsweise an entsprechenden Seiten des Kraftfahrzeugs eingesetzt, um unter Nutzung eines bestimmten Öffnungswinkels des Erfassungsbereichs die Umgebung zu erfassen. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, mehrere Antennenelemente, wobei wenigstens ein Antennenelement einem Sende- und/oder Empfangskanal entsprechen kann, in einer Ebene, beispielsweise auf einer Leiterplatte/Platine, anzuordnen. Eine einfallende Wellenfront, insbesondere eines reflektierten Radarsignals, erreicht die einzelnen Antennenelemente mit einer spezifischen Verzögerung, die sich als Phasendifferenz messen lässt. Aus dem Verlauf der Phasendifferenzen kann die Richtung, aus der die einfallende Wellenfront eintrifft, bestimmt werden. Hierbei wurde bereits vorgeschlagen, Antennenelemente in verschiedenen, insbesondere zueinander senkrechten Richtungen aufeinander folgen zu lassen, um die durch Winkel beschriebene Richtung reflektierter Radarsignale beispielsweise in Azimut und Elevation vermessen zu können. Alternativ zur Nutzung während einer Messung ist es auch bekannt, gezielt bestimmte Richtungen abzutasten, wobei bei mehreren Antennenelementen das sogenannte „Beamforming“ eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann unter Nutzung von Beamforming und schmalen, Winkelintervalle abdeckenden Sende-Radarsignalen eine Art „Sweep“ durch den maximal möglichen Erfassungsbereich erzielt werden.
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Untersuchungen zum Beamforming sind beispielsweise dem Artikel von Andy Vesa et al., „Comparisons between 2D and 3D Uniform Array Antennas", Proceedings of the Federated Conference on Computer Science and Information Systems, 2015, Seiten 1285 bis 1290, zu entnehmen.
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Im Hinblick auf moderne Fahrerassistenzsysteme und eine möglichst genaue Erfassung des gesamten Umfelds des Kraftfahrzeugs ist bei Kraftfahrzeugen eine 360°-Abdeckung der Umgebung durch die Radarsensorik wünschenswert, wozu vorgeschlagen wurde, mehrere, beispielsweise acht, Radarsensoren einzusetzen.
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DE 10 2009 005 103 A1 betrifft eine elektronisch steuerbare Antenne in Kugelform, die insbesondere in Kraftfahrzeugen als Radar eingesetzt werden kann. Dabei existiert ein kugelförmiger Grundkörper mit einer Oberfläche, beispielsweise als abgestumpfter Ikosaeder, wobei auf den jeweiligen Seitenflächen Strahlerelemente mit aktiven Transmit/Receive-Modulen vorgesehen sind. Auf diese Weise soll der Gain der Antenne maximiert werden.
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DE 10 2016 201 187 A1 betrifft eine flussregulierende Anordnung für ein Fahrzeug mit einem Umgebungsinformation-Detektionsteil, welcher auf einem Dach eines Fahrzeugs vorgesehen ist und Umgebungsinformation des Fahrzeugs detektiert. Der Umgebungsinformation-Detektionsteil kann ein Millimeter-Wellen-Radar oder ein Mikrowellen-Radar sein, welcher Umgebungsinformationen des Fahrzeugs detektiert, während er sich mit seiner Rotationsachse entlang der Oben-Unten-Richtung des Fahrzeugs um 360° dreht.
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DE 10 2016 008 064 A1 betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrzeugdach, auf dem ein Sensormodul für die Umgebungsüberwachung zwischen einer in das Fahrzeugdach versenkten Ruheposition und der Betriebsposition verfahrbar sein soll. Das Sensormodul kann eine Radareinheit sein, die als umlaufendes Band an den Seitenflächen des Sensormoduls für die Umgebungsüberwachung ausgebildet wird und ein oder mehrere Radarsender/- empfänger-Paare zur Durchführung einer Radarüberwachung einer Umgebung des Kraftfahrzeugs umfassen kann, die alleine oder zusammen den 360°-Sichtbereich abdecken.
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Die in diesem Stand der Technik bekannten Radarsensoren für Kraftfahrzeuge nutzen mithin insbesondere gekrümmte Oberflächen aus, um zur Winkelauflösung mehrere Antennenelemente nebeneinander anzuordnen. Gerade im Hinblick auf die Genauigkeit der Richtungsbestimmung in allen möglichen Richtungen, insbesondere also auch oberhalb des Kraftfahrzeugs, weisen derartige Anordnungen noch Nachteile auf; zudem sind zumeist komplexe geometrische Verhältnisse gegeben, die die Ansteuerung der einzelnen Antennenelemente bzw. die Auswertung ihrer Sensordaten erschweren.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2016 210 366 B3 betrifft ein Antennen-Dachmodul für ein Kraftfahrzeug und ein Kraftfahrzeug. Das Antennen-Dachmodul soll neben einer primären Antennenanordnung, insbesondere zum Empfang von Radioprogrammen, in es integriert auch wenigstens eine Antennenanordnung eines Radarsensors umfassen. Die Antennenanordnungen können in Kunststoff vergossen sein.
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KR 10 2013 0 102 983 A betrifft ein Radargerät für ein Kraftfahrzeug, welches zwei Radarantennen umfasst, welche in einer auf dem Dach des Fahrzeugs angebrachten dielektrischen Körpereinheit eingebaut sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Radarsensor für ein Kraftfahrzeug anzugeben, der ohne aktive Bewegung eine 360°-Umfelderfassung ermöglicht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Radarsensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Antennenelemente innerhalb eines Volumens einer dreidimensionalen, dielektrischen Trägerstruktur matrixartig derart angeordnet sind, dass wenigstens ein Antennenelement nicht auf der Oberfläche der Trägerstruktur befindlich ist, wobei die Antennenelemente nach Art einer regelmäßigen dreidimensionalen Matrix angeordnet sind.
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Die vorliegende Erfindung schlägt mithin eine Anordnung der Antennenelemente mittels einer Trägerstruktur derart vor, dass sich wenigstens eines der Antennenelemente, meist mehrere oder sogar alle der Antennenelemente, nicht auf einer Oberfläche der Trägerstruktur erstrecken, sondern im Inneren der Trägerstruktur vorgesehen sind. Diese ist zumindest im Wesentlichen dielektrisch gehalten, so dass ein Vordringen der Radarsignale zu diesen Antennenelementen problemlos ermöglicht wird. Das Vorsehen von Antennenelementen im Inneren einer Trägerstruktur nutzt bislang ungenutzten Auslegungsspielraum und ermöglicht es insbesondere, dreidimensionale Antennenanordnungen mit einer hohen Regelmäßigkeit der Anordnung der Antennenelemente zu realisieren, welche im Hinblick auf die Ansteuerung im Sendefall und/oder die Auswertung der Radardaten im Empfangsfall Vorteile bieten. Die Antennenelemente sind nach Art einer regelmäßigen dreidimensionalen Matrix angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung entspricht letztlich also einer Anordnung der einzelnen Antennenelemente in einem dreidimensionalen Gitter, so dass aus allen Richtungen eintreffende Radarsignale erfasst und richtungsmäßig zugeordnet werden können.
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Je nach der gewünschten Richtungsauflösung bzw. allgemein Qualität der Radardaten können verschiedene Zahlen von einzelnen Antennenelementen eingesetzt werden. So sind beispielsweise regelmäßige Matrizen in einer quadratischen Auslegung denkbar, in der mithin in jeder der Grundrichtungen die gleiche Anzahl an Antennenelementen aufeinander folgt, beispielsweise 7 × 7 × 7 Antennenelemente. Auch andere Ausgestaltungen, in denen die Zahl der Antennenelemente in verschiedenen Richtungen voneinander abweicht, sind denkbar, beispielsweise, um bestimmte Richtungen mit einer größeren Zahl von Antennenelementen abdecken zu können und dergleichen. Konkret kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einer quaderartigen, regelmäßigen, dreidimensionalen Matrix entlang jeder Hauptrichtung des Quaders vier bis zwölf Antennenelemente aufeinander folgen.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antennenelemente in einem dielektrischen Trägermaterial, insbesondere PTFE, angeordnet, insbesondere wenigstens teilweise vergossen, sind. Es ist also beispielsweise denkbar, die Trägerstruktur zumindest teilweise als einen Gusskörper herzustellen, der beispielsweise aus PTFE (Polytetrafluorethylen) bestehen kann. Ein Gießverfahren bietet die Möglichkeit, verschiedene Formen der Trägerstruktur auf einfache Art und Weise zu realisieren, beispielsweise dann, wenn die Trägerstruktur unmittelbar die Außenoberfläche einer den Radarsensor enthaltenden Anordnung bildet, eine im Hinblick auf den Luftwiderstand optimierte, mithin windschnittige Ausgestaltung zu wählen. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten denkbar, die Trägerstruktur als einen Trägermaterialkörper zu realisieren, beispielsweise durch Fräsen und darauffolgendes Zusammensetzen.
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Die Trägerstruktur kann bevorzugt eine windschnittige Form oder eine Zylinderform aufweisen. Eine windschnittige Form bietet sich, wie bereits angedeutet, dann an, wenn die Oberfläche der Trägerstruktur gleichzeitig die Oberfläche einer den Radarsensor enthaltenden Anordnung bzw. des Radarsensors selber bildet, mithin den Außenverhältnissen ausgesetzt ist, so dass ein möglichst geringer Luftwiderstand gegeben ist. Beispiele für windschnittige Formen sind beispielsweise Stromlinienformen. Eine Zylinderform lässt sich insbesondere dann, wenn ein Gussverfahren für die Trägerstruktur verwendet werden soll, besonders einfach realisieren, wobei eine Fertigung dann so erfolgen kann, dass die Ausdehnung der Form, insbesondere der Zylinderform, zu einer entsprechenden Aufnahme, beispielsweise in einer Abdeckung, passt.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Trägerstruktur auf einer Trägerplatine mit die Antennenelemente mit der Steuereinrichtung verbindenden Leiterbahnen angeordnet ist. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Trägerplatine wenigstens einen Teil der Komponenten der Steuereinrichtung trägt. Die Trägerplatine kann zum Schutz der Komponenten auch innerhalb eines Gehäuses gehaltert sein, wobei dieses zweckmäßig eine Öffnung aufweist, aus der die Trägerstruktur emporragt, so dass das Gehäuse das Aussenden und Empfangen von Radarsignalen nicht beeinträchtigt. Grundsätzlich kann eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung vorsehen, dass der Radarsensor einen in Halbleitertechnologie, insbesondere CMOS-Technologie, realisierten Halbleiterchip aufweist, der entsprechend als Komponente auf der Trägerplatine (Trägerleiterplatte) vorgesehen sein kann. Durch den Halbleiterchip können neben einem Radartransceiver auch eine digitale Signalverarbeitungskomponente des Radarsensors und/oder eine Steuereinheit des Radarsensors realisiert sein.
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Neben dem Radarsensor betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, aufweisend wenigstens einen erfindungsgemäßen Radarsensor. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Radarsensors lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen, so dass auch mit diesem die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug ferner ein Kraftfahrzeugdach aufweist, auf dem der Radarsensor angeordnet ist. Das Dach des Kraftfahrzeugs bietet die ideale Möglichkeit, eine 360°-Umfelderfassung vorzunehmen, wobei jedoch Reflektionen vom Kraftfahrzeugdach selber nicht vollständig auszuschließen sind und entsprechend berücksichtigt werden müssen. In diesem Kontext ist es besonders vorteilhaft, wenn der Radarsensor in einer auch eine Antenne für Funkwellen, insbesondere einer Radioantenne, enthaltenen Baueinheit verbaut ist. Derartige Dachanordnungen sind im Stand der Technik bereits bekannt und windschnittig, insbesondere stromlinienförmig, ausgebildet, um eine Antenne für Funkwellen zu enthalten, die üblicherweise dem Empfangen von Radioprogrammen dient. Ein solcher ohnehin vorhandener Aufbau kann genutzt werden, um auch den erfindungsgemäßen Radarsensor in einer dachseitigen, emporragenden Position unterzubringen.
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Wie bereits erwähnt, erlaubt es die dreidimensionale Ausgestaltung der Antennenanordnung insbesondere, Richtungsinformationen als allen Richtungen, insbesondere also auch durch Elevationsmessung, zu erhalten. Insofern kann die beschriebene 360°-Abdeckung bevorzugt auch auf eine wenigstens halbsphärische Abdeckung erweitert werden. Bei Anordnung des Radarsensors auf einem Kraftfahrzeugdach ergibt sich dann beispielsweise die Möglichkeit, auch oberhalb des Kraftfahrzeugs befindliche Strukturen zu vermessen, um eine verbesserte, weitgehendere Umfelderfassung zu erreichen. Insbesondere kann durch den Radarsensor also eine 360°-Umfelderfassung in der Horizontalen und eine wenigstens 180° abdeckende Umfelderfassung in der Vertikalen vorgesehen werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug,
- 2 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen Radarsensors,
- 3 eine seitliche Querschnittsansicht des Radarsensors, und
- 4 eine Aufsicht auf Komponenten des Radarsensors.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1. Dieses weist auf seinem Kraftfahrzeugdach 2 eine Baueinheit 3 auf, die eine stromlinienförmige Abdeckung 4 umfasst, innerhalb der ein Radarsensor 5 und eine Radioantenne 6 aufgenommen sind.
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Der erfindungsgemäße Radarsensor 5 wird durch die 2 bis 4 näher dargestellt, wobei 2 eine Außenansicht, 3 eine Querschnittsansicht von hauptsächlichen Komponenten und 4 eine Draufsicht auf die hauptsächlichen Komponenten zeigt.
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In einem Gehäuse 7, aus dem eine vorliegend durch einen Trägerkörper 8 aus einem Trägermaterial, beispielsweise PTFE, gebildete Trägerstruktur 9 durch eine Öffnung emporragt, ist eine Trägerplatine 10, vgl. 3 und 4, gehaltert, auf der der Trägerkörper 8 befestigt ist. Der Trägerkörper 8 enthält die Antennenanordnung 11 des Radarsensors 5, welche vorliegend 64 in einer regelmäßigen dreidimensionalen, hier quadratischen Matrixstruktur angeordnete Antennenelemente 12 umfasst, mithin 4 × 4 × 4 Antennenelemente, wobei selbstverständlich auch andere Anzahlen denkbar sind, beispielsweise 7 × 7 × 7 Antennenelemente. Die Antennenelemente 12 finden sich dabei nicht an der Oberfläche des Trägerkörpers 8, sondern sind innerhalb des Trägerkörpers 8 in drei Dimensionen matrixartig, mithin an Knotenpunkten eines regelmäßigen Gitters, verteilt, vorliegend in diesem vergossen. Die Verbindungsleitungen zu den Antennenelementen 12 sind durch den Trägerkörper 8 zu der Trägerplatine 10 geführt, wo sie durch Leiterbahnen mit einem vorliegend die Steuereinrichtung 13 des Radarsensors 5 bildenden Halbleiterchip 14 verbunden sind, der den Radartransceiver, eine digitale Signalverarbeitungskomponente (DSP) und eine Steuereinheit des Radarsensors 5 realisiert. Der Halbleiterchip 14 ist vorliegend in CMOS-Technologie ausgebildet.
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Aufgrund des dielektrischen Materials der Trägerstruktur 9 können Radarsignale von und zu den Antennenelementen 12 durchdringen. Durch Beamforming können hochgenau gewünschte Radarmuster erzeugt werden und/oder Phasendifferenzen bei eintreffenden Radarwellenfronten vermessen werden, um die Richtung des Radarsignals zu vermessen.
